機(jī)車(chē)車(chē)輛與軌道電路的兼容性標(biāo)準(zhǔn)分析與探討

黃　金

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081)

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機(jī)車(chē)車(chē)輛與軌道電路的兼容性標(biāo)準(zhǔn)分析與探討

黃金

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081)

機(jī)車(chē)車(chē)輛與軌道電路作為鐵路系統(tǒng)的兩大主要部分，其工作兼容性水平關(guān)系到運(yùn)輸安全及設(shè)備的維護(hù)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CLC/TS 50238-2規(guī)定了機(jī)車(chē)車(chē)輛產(chǎn)生的干擾電流的限值要求以及測(cè)試方法，我國(guó)僅對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了轉(zhuǎn)標(biāo)。然而該標(biāo)準(zhǔn)在歐洲屬于待修改草稿標(biāo)準(zhǔn)，其權(quán)威性和合理性仍未得到證實(shí)，尤其是對(duì)于我國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)輛和軌道電路兼容性測(cè)試和評(píng)判指標(biāo)的適用性仍未可知，在進(jìn)行轉(zhuǎn)標(biāo)過(guò)程中也未對(duì)適用性進(jìn)行考慮。因此本文就該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，結(jié)合某型動(dòng)車(chē)組的軌道電路兼容性測(cè)試對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的適用性和可操作性進(jìn)行論述。

機(jī)車(chē)車(chē)輛; 軌道電路; 兼容性

隨著越來(lái)越多客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)和大功率機(jī)車(chē)車(chē)輛的應(yīng)用，列車(chē)運(yùn)營(yíng)密度和速度不斷提高，對(duì)系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。機(jī)車(chē)車(chē)輛與軌道電路作為龐大鐵路系統(tǒng)的兩大重要組成部分，其工作兼容性受到人們的關(guān)注。

軌道電路是利用鋼軌作為導(dǎo)體傳遞信息的電路系統(tǒng)，其可以反映軌道區(qū)段是否空閑與是否完整，有時(shí)還向機(jī)車(chē)傳遞信息，與機(jī)車(chē)車(chē)輛牽引回流共用一個(gè)通道，兩者共用相同的電磁環(huán)境，兼容性關(guān)系復(fù)雜。兩者均有相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)車(chē)車(chē)輛遵循GB/T 24338.3《軌道交通 電磁兼容 第3-1部分 機(jī)車(chē)車(chē)輛 列車(chē)和整車(chē)》，軌道電路遵循GB/T 24338.5-2009《軌道交通 電磁兼容 第4部分：信號(hào)和通信設(shè)備的發(fā)射與抗擾》。兩個(gè)系統(tǒng)在投入運(yùn)用時(shí)均應(yīng)通過(guò)這兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁兼容檢測(cè)。但是標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)兩者之間的傳導(dǎo)兼容性進(jìn)行規(guī)定。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CLC/TS 50238-2規(guī)定了機(jī)車(chē)車(chē)輛產(chǎn)生的干擾電流的限值要求以及測(cè)試方法，然而該標(biāo)準(zhǔn)在歐洲屬于待修改草稿標(biāo)準(zhǔn)，其權(quán)威性和合理性仍未得到證實(shí)，尤其是對(duì)于我國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)輛和軌道電路兼容性測(cè)試和評(píng)判指標(biāo)的適用性仍未可知，因此本文就該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，結(jié)合某型動(dòng)車(chē)組的軌道電路兼容性測(cè)試對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的適用性和可操作性進(jìn)行分析。

1　國(guó)內(nèi)裝備現(xiàn)狀

1.1軌道電路

我國(guó)軌道電路按用途主要可分為站內(nèi)、區(qū)間、駝峰和道口軌道電路4種[1]。

(1)站內(nèi)軌道電路。適用于站內(nèi)的有480 Hz、25 Hz等制式。站內(nèi)軌道電路還可分為無(wú)岔區(qū)段、有岔區(qū)段和股道3種。

(2)區(qū)間軌道電路。適用于區(qū)間(包括電碼化)的有交流計(jì)數(shù)、移頻、ZPW2000和UM71等制式。

(3)駝峰軌道電路。適用于駝峰下分路道岔區(qū)段的有可用于非電化區(qū)段的JWXC-2.3型交流閉路式軌道電路，和可用于電化區(qū)段的JWXC-2.3型直流閉路式軌道電路。

(4)道口軌道電路。適用于鐵路與公路的平交道口接近報(bào)警或離去解除報(bào)警用。適用于道口報(bào)警的主要有DK/SW、DK/Y3道口控制器和道口計(jì)軸裝置等。

重點(diǎn)討論的軌道電路為ZPW-2000A系列軌道電路，該軌道電路引自法國(guó)UM71系列，經(jīng)適應(yīng)性改造及國(guó)產(chǎn)化后投入我國(guó)各主要干線(xiàn)使用。ZPW-2000A軌道電路在設(shè)計(jì)中為避開(kāi)電氣化區(qū)段牽引電流諧波對(duì)軌面信號(hào)的干擾，選用了4個(gè)較高的載頻信號(hào)： 1.7，2，2.3，2.6 kHz，頻偏為±11 Hz，同時(shí)共有從1.03 Hz開(kāi)始按1.1 Hz等差數(shù)列遞增至29 Hz的18種低頻信息。因此其在鋼軌中傳遞的移頻信號(hào)由載頻、頻偏和低頻調(diào)制信號(hào)三者構(gòu)成，示意圖如圖1所示。

1.2機(jī)車(chē)車(chē)輛

經(jīng)過(guò)引進(jìn)消化吸收創(chuàng)新，我國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)輛裝備水平有了大幅提高，交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組已逐漸取代直流傳動(dòng)機(jī)車(chē)成為主流。相對(duì)直流傳動(dòng)，交流傳動(dòng)存在許多優(yōu)勢(shì)，如網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的提高和諧波含量的降低。交流傳動(dòng)技術(shù)由于網(wǎng)側(cè)采用了四象限脈沖整流器技術(shù)，其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可接近1，同時(shí)網(wǎng)側(cè)諧波含量大幅降低。但隨之而來(lái)的是諧波分布也發(fā)生了變化，直流機(jī)車(chē)基本不含有高次諧波，而交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)/動(dòng)車(chē)組由于網(wǎng)側(cè)脈沖整流器多重化，均采用了載波移相技術(shù)，存在較為明顯的高次諧波。高次諧波分布與開(kāi)關(guān)頻率和載波移相的牽引繞組個(gè)數(shù)有關(guān)。圖2為某型動(dòng)車(chē)組典型網(wǎng)側(cè)電流諧波分布圖。

圖1　鋼軌中傳遞的移頻信號(hào)示意圖

圖2　動(dòng)車(chē)組典型網(wǎng)側(cè)電流諧波分布圖

1.3軌道電路與機(jī)車(chē)車(chē)輛的兼容性

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)車(chē)車(chē)輛牽引系統(tǒng)和軌道電路之間存在3種耦合關(guān)系：靜電耦合、傳導(dǎo)耦合和電磁耦合，與之相對(duì)應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生3種干擾，大多數(shù)兼容性問(wèn)題也從這3個(gè)方面展開(kāi)研究。機(jī)車(chē)車(chē)輛與軌道電路之間的傳導(dǎo)耦合關(guān)系存在兩種形式：不平衡電流和諧波電流。牽引電流回流通過(guò)一段鋼軌及大地流回變電所，兩根鋼軌分流了牽引電流回流，當(dāng)鋼軌連續(xù)線(xiàn)接觸不良時(shí)，兩根鋼軌中的回流就會(huì)產(chǎn)生不平衡電流。TB/T 3206《ZPW 2000軌道電路技術(shù)條件》中規(guī)定：軌道電路所適用的交流電力牽引區(qū)段，牽引電流不應(yīng)大于2 000 A、鋼軌電流不平衡系數(shù)不應(yīng)大于10%。然而標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于牽引回流的諧波干擾并未提及[2]。TB/T 3073-2003《鐵道信號(hào)電氣設(shè)備電磁兼容性試驗(yàn)及其限值》提出了軌道電路應(yīng)滿(mǎn)足的諧波限值，但該標(biāo)準(zhǔn)已廢除，且該標(biāo)準(zhǔn)中限值以直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)為參考提出，在目前交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)及動(dòng)車(chē)組廣泛應(yīng)用的情況下，諧波分布規(guī)律和限值也已不再適用。CLC/TS 50238-2《軌道交通 機(jī)車(chē)車(chē)輛與列車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)的兼容性 第2部分：與軌道電路的兼容性》則明確了高頻諧波的一些測(cè)試方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2　CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)

2.1標(biāo)準(zhǔn)介紹

CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)由歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)提出，標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)為草案待修改。其作為軌道電路和機(jī)車(chē)車(chē)輛兼容性標(biāo)準(zhǔn)，提出了測(cè)試方法和對(duì)高頻信號(hào)干擾的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。作為EN 50238系列標(biāo)準(zhǔn)的有效補(bǔ)充，指導(dǎo)使用。EN 50238系列標(biāo)準(zhǔn)作為歐洲軌道機(jī)車(chē)車(chē)輛和列車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)，目前共包括3個(gè)主要部分：第1部分 總則；第2部分 與軌道電路的兼容性；第3部分：與計(jì)軸器的兼容性。第1部分總則作為通用原則，作為獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)與2003年發(fā)布，由于缺少具體操作方式和評(píng)判，因此實(shí)施性較差，由此提出了第2部分和第3部分作為系列標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。第2部分和第3部分標(biāo)準(zhǔn)于2010年發(fā)布，目前仍為草案形式。

CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)中主要涉及的軌道電路形式見(jiàn)表1。從表1中可以看出，僅UM71型軌道電路適用于我國(guó)軌道電路。

表1　CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)中涉及的軌道電路形式

引用標(biāo)準(zhǔn)包括CLC/TR 50507《軌道交通-歐洲鐵路既有軌道電路干擾限值》，其性質(zhì)為研究報(bào)告，具有很強(qiáng)的針對(duì)性。我國(guó)目前并沒(méi)有相應(yīng)的軌道電路電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，因此如若轉(zhuǎn)成國(guó)標(biāo)，可參考數(shù)據(jù)僅有ZPW-2000 無(wú)絕緣軌道電路(交流牽引系統(tǒng))、UM71無(wú)絕緣軌道電路(交流牽引系統(tǒng))、FTGS46/FTGS917 無(wú)絕緣軌道電路(直流牽引系統(tǒng))、FS2500 軌道電路(直流牽引系統(tǒng))。

2.2CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試及評(píng)估方法

2.2.1測(cè)試系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)中描述的測(cè)量和評(píng)估方法用于對(duì)列車(chē)影響單元在整條線(xiàn)路的回流進(jìn)行分析。標(biāo)準(zhǔn)中所提到的影響單元包括各類(lèi)牽引子系統(tǒng)，如單臺(tái)機(jī)車(chē)，多動(dòng)力單元?jiǎng)榆?chē)組。測(cè)試參量可以是整列列車(chē)牽引總網(wǎng)流，也可以是單臺(tái)牽引變壓器原邊電流(回流)，對(duì)于測(cè)試單臺(tái)牽引變壓器原邊電流的情況，標(biāo)準(zhǔn)中給出了相應(yīng)的累加原則及累加系數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)帶有抗混疊濾波器，采集系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換分辨率應(yīng)不低于16位，電流測(cè)量的采樣頻率高于 48 kHz。

圖3　兼容性測(cè)試框圖

2.2.2列車(chē)工況及測(cè)試地點(diǎn)要求

CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于列車(chē)運(yùn)行工況進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，涵蓋了機(jī)車(chē)車(chē)輛在運(yùn)用過(guò)程中可能遇到的正常運(yùn)行工況和故障運(yùn)行工況，如牽引、制動(dòng)、恒速、過(guò)分相、部分動(dòng)力運(yùn)行、空轉(zhuǎn)滑行工況。速度級(jí)需從0變化至列車(chē)允許的最高速度。另外，為了區(qū)分背景諧波水平，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了靜態(tài)工況的測(cè)量，包括列車(chē)靜置，無(wú)輔助用電工況(受電弓降下)、列車(chē)靜置，有輔助供電工況(受電弓升起，輔機(jī)起動(dòng))。多種工況設(shè)置保證了對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛和軌道電路兼容性評(píng)估的完整性。

為真實(shí)模擬機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)用環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于線(xiàn)路的諧振頻率和供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了相應(yīng)要求，測(cè)量應(yīng)盡量靠近所處變電所并遠(yuǎn)離其他變電所(距離20 km以上)。

2.2.3UM71、ZPW2000數(shù)據(jù)處理及評(píng)估

重點(diǎn)對(duì)UM71、ZPW2000軌道電路與機(jī)車(chē)車(chē)輛兼容性測(cè)試數(shù)據(jù)的處理及評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行介紹。對(duì)采集到的網(wǎng)流(原邊電流)進(jìn)行FFT分析，參數(shù)定義如下：

(a) 1 s 的漢寧窗；

(b) 80%的最小重疊；

(c) 16 kHz 的最低采樣頻率。

工作頻段內(nèi)的諧波干擾要求見(jiàn)表2所示。由于UM72、ZPW2000軌道電路存在頻偏(±11 Hz)，考慮到諧波能量的延展性，考核±45 Hz范圍內(nèi)的頻偏。對(duì)頻率超出規(guī)定的1 500～3000 Hz工作帶寬范圍內(nèi)的電流限值為3 A。

表2　工作頻段內(nèi)的諧波干擾要求

3　CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于國(guó)內(nèi)軌道機(jī)車(chē)車(chē)輛及軌道電路的適用性

正如前面介紹，CLC/TS 50238-2全面的對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛及軌道電路兼容性提出了測(cè)試及評(píng)估要求。其提出基礎(chǔ)是大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)有一系列的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支撐，然而這些標(biāo)準(zhǔn)大多是基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系，所涉及內(nèi)容及要求在國(guó)內(nèi)存在不適用性。通過(guò)分析CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)軌道機(jī)車(chē)車(chē)輛/軌道電路的運(yùn)用情況及國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))，針對(duì)CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)在面向國(guó)內(nèi)鐵路系統(tǒng)的不適用或不可用，總結(jié)以下幾點(diǎn)：

(1) 我國(guó)應(yīng)用的軌道電路種類(lèi)與CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)中的軌道電路有差異，對(duì)交流干線(xiàn)鐵路來(lái)說(shuō)，僅UM71、ZPW2000軌道電路適用。對(duì)于考評(píng)兩個(gè)系統(tǒng)的兼容性存在不完善項(xiàng)。

(2) CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)中的諧波限值是基于歐洲鐵路系統(tǒng)提出的，數(shù)據(jù)獲取的試驗(yàn)條件與國(guó)內(nèi)不同，如供電臂長(zhǎng)度、參數(shù)、供電制式、機(jī)車(chē)車(chē)輛種類(lèi)及類(lèi)型等，參照該標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)車(chē)輛和軌道電路的兼容性進(jìn)行評(píng)判存在不嚴(yán)肅性。

(3) 試驗(yàn)條件不允許。CLC/TS 50238-2標(biāo)準(zhǔn)中要求測(cè)量應(yīng)盡量靠近所處變電所并遠(yuǎn)離其他變電所(距離20 km以上)，然而迫于國(guó)內(nèi)牽引供電臂長(zhǎng)度(約30 km)及列車(chē)加速特性(動(dòng)車(chē)組加速至350 km/h約30 km)，起動(dòng)加速至最高速度后保持恒速運(yùn)行工況無(wú)法在同一供電臂下完成。

4　結(jié)束語(yǔ)

介紹了歐洲關(guān)于機(jī)車(chē)車(chē)輛和軌道電路兼容性問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)CLC/TS 50238-2，結(jié)合國(guó)內(nèi)鐵路系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)適用性和實(shí)用性分析。分析結(jié)論認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)使用時(shí)需進(jìn)行適應(yīng)性修改，如試驗(yàn)工況，試驗(yàn)要求等。由于無(wú)法判定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判指標(biāo)對(duì)于國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)車(chē)輛和軌道電路的適用性，作為涉及安全性評(píng)估的項(xiàng)目，需要嚴(yán)肅對(duì)待。該標(biāo)準(zhǔn)即使轉(zhuǎn)標(biāo)為國(guó)標(biāo)，也不應(yīng)作為強(qiáng)制性或推薦性標(biāo)準(zhǔn)，建議作為指導(dǎo)性技術(shù)文件。在此情況下，出口歐洲車(chē)輛應(yīng)嚴(yán)格遵循該標(biāo)準(zhǔn)要求，但如機(jī)車(chē)車(chē)輛國(guó)內(nèi)自用或出口類(lèi)似國(guó)內(nèi)供電參數(shù)、軌道電路參數(shù)的國(guó)家和地區(qū)，該標(biāo)準(zhǔn)僅可作為參考指導(dǎo)使用。

[1]DD CLC/TS 50238-2，軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛與列車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)的兼容性第2部分：與軌道電路的兼容性 [S]. British：CENELEC，2010.

[2]TB/T 3206-2008 ZPW 2000軌道電路技術(shù)條件[S].

Analysis and Discussion on the Standard of Compatibility between Rolling Stock and Track Circuit

HUANGJin

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

As the two main parts of the railway system, the level of compatibility between Rolling stock and track circuit related to transportation safety and maintenance of equipment. International standard "CLC / TS 50238-2 provides for rolling stock produced interference current limit requirements and test methods, and was transferred to a GB standard. However, the standard in the European belongs to "Draft for development" standard to be modified, its authority and rationality has not been confirmed. The applicability of compatibility testing and evaluation indicators is unclear in our country, nor considered during the standard transfer process. Therefore, this article analyze the CLC standard, and discussed the applicability and operability combined with a certain EMU track circuit compatibility test.

rolling stock; track circuit; compatibility

1008-7842 (2016) 04-0127-04

男，助理研究員(

2015-12-18)

U260

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.32